本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，涉及一種建筑用復(fù)合材料，具體來說是一種超高韌性水泥基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

混凝土作為重要的土木工程材料，憑借取材簡便、工藝簡便、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用量越來越大，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。但是，由于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度低、自重大、脆性大等固有弱點(diǎn)，加上混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中易出現(xiàn)不同程度和不同形式的裂縫，且混凝土自身控制裂縫的能力較差等問題，制約著混凝土這種建筑材料的應(yīng)用。

為了滿足現(xiàn)代工程要求，克服混凝土材料脆性大，裂縫控制能力差等缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者開始借助微觀力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、斷裂力學(xué)的理論研究具有典型應(yīng)變硬化特性的水泥基復(fù)合材料。美國密西根大學(xué)Victor Li教授和麻省理工大學(xué)Christopher Leung教授于1992年在美國ASCE Journal of Engineering Mechanics發(fā)表的論文建立了纖維水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，通常稱為ECC)的微觀力學(xué)基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其后世界各地研究學(xué)者對ECC材料及其應(yīng)用展開了深入的研究。此后，不含粗骨料的各種高韌性水泥基復(fù)合材料已成為水泥混凝土之外的一個(gè)新的重要分支。通過各種細(xì)集料和粉料作為原材料，采用相應(yīng)工藝加工后，得到各種韌性好，應(yīng)變能力強(qiáng)，并且具有多縫開裂性質(zhì)的高韌性水泥基復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)。但是，傳統(tǒng)的各類建筑用復(fù)合材料均是以大量的粉煤灰作為原料，原料的單一限制了該類材料在工程中的應(yīng)用；此外，現(xiàn)有大量的工業(yè)廢渣包括鋼渣、礦粉、粉煤灰等利用率較低，占用土地，浪費(fèi)資源，且對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，制約著我國自然資源，環(huán)境保護(hù)和建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)的達(dá)成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種超高韌性水泥基復(fù)合材料及其制備方法，所述的這種超高韌性水泥基復(fù)合材料及其制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中的混凝土抗拉強(qiáng)度低、自重大、脆性大、控制裂縫的能力較差的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種超高韌性水泥基復(fù)合材料，由水泥、固體廢棄物、石英砂、水、減水劑、增稠劑和聚乙烯醇纖維組成，各組份的重量份數(shù)如下：

水泥 200~250份；

固體廢棄物 500~550份；

石英砂 200~250份；

水 200~250份；

減水劑 6.5~8份；

增稠劑 0.8~1.2份；

聚乙烯醇纖維 15~20份；

所述的固體廢棄物由粉煤灰與礦粉組成，其中粉煤灰占固體廢棄物的重量百分比為50%~55%，礦粉占固體廢棄物的重量百分比為45%~50%。

進(jìn)一步的，所述的水泥為強(qiáng)度等級(jí)52.5級(jí)的硅酸鹽水泥。

進(jìn)一步的，所述的粉煤灰為一級(jí)粉煤灰，中位徑(D50)為19.45μm。

進(jìn)一步的，所述的礦粉為一級(jí)礦粉，中位徑(D50)為4.732μm。

進(jìn)一步的，所述的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑。

進(jìn)一步的，所述的增稠劑為甲基纖維素醚。

進(jìn)一步的，所述的石英砂為30~100目的石英砂，最大粒徑不超過0.6mm。

進(jìn)一步的，所述的聚乙烯醇纖維長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強(qiáng)度為1620MPa，彈性模量為42.8GPa。

本發(fā)明還提供了上述的一種超高韌性水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

1)按照重量份數(shù)稱取各反應(yīng)物質(zhì)，

2)將水泥、粉煤灰，礦粉、石英砂和增稠劑加入到攪拌鍋中，在公轉(zhuǎn)62±5r/min，自轉(zhuǎn)140±5r/min的條件下干攪2~4分鐘至均勻。

3)將水和減水劑加入到攪拌鍋中，在公轉(zhuǎn)125±10r/min，自轉(zhuǎn)285±10r/min的條件下攪拌3~5分鐘，直至漿體流動(dòng)性達(dá)到要求；

4)加入聚乙烯醇纖維，再攪拌5~8分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到超高韌性水泥基復(fù)合材料。

本發(fā)明更優(yōu)選的一種方案中，所述的固體廢棄物按重量百分比計(jì)，由45%的礦粉和55%的粉煤灰組成。

本發(fā)明更優(yōu)選的另一種方案中，所述的固體廢棄物按重量百分比計(jì)，由48%的礦粉和52%的粉煤灰組成。

本發(fā)明更優(yōu)選的再一種方案中，所述的固體廢棄物按重量百分比計(jì)，由50%的礦粉和50%的粉煤灰組成。

進(jìn)一步的，所述的減水劑優(yōu)選聚羧酸系高性能減水劑或萘系高效減水劑，進(jìn)一步優(yōu)選為聚羧酸系高性能減水劑。

進(jìn)一步的，所述的增稠劑優(yōu)選甲基纖維素醚或羥丙基甲基纖維素醚，進(jìn)一步優(yōu)選為甲基纖維素醚。

本發(fā)明將廢棄的工業(yè)廢渣粉煤灰與礦粉在高韌性水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域進(jìn)行再利用，消耗了工業(yè)廢渣，有效的降低了能源的消耗，充分發(fā)揮工業(yè)廢渣作用解決粉煤灰和礦粉對環(huán)境污染的問題，同時(shí)增加了超高韌性水泥基復(fù)合材料原料的來源，以便于更好地推廣應(yīng)用，減少環(huán)境污染以及提高工業(yè)廢渣的利用率。

本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明的超高韌性水泥基復(fù)合材料具有以下有益效果：

1.材料性能好:

本發(fā)明的3天材料性能為：抗拉強(qiáng)度：2.62MPa，極限應(yīng)變：5.6%；7天材料性能為：抗拉強(qiáng)度：3.76MPa，極限應(yīng)變：3.1%；28天材料性能為：抗拉強(qiáng)度：5.5MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.3%。

2.制備工藝簡單，新拌材料工作性能好:

本發(fā)明的制備工藝簡單，普通的混凝土攪拌設(shè)備即可滿足制備的需要，整個(gè)攪拌過程用時(shí)僅為10~17分鐘。新拌材料的工作性能好，流動(dòng)性指標(biāo)為14~16cm。

3.成本低:

本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明的一種粉煤灰與礦粉復(fù)摻的超高韌性水泥基復(fù)合材料，結(jié)合了傳統(tǒng)高韌性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，在原料中添加了大量廉價(jià)的粉煤灰和礦粉，一方面能夠減弱基體材料的強(qiáng)度，優(yōu)化基體材料與聚乙烯醇纖維的接觸面，保證了材料的高韌性，另一方面粉煤灰和礦粉來源更加廣泛，降低了原材料的價(jià)格。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明的一種粉煤灰與礦粉復(fù)摻的超高韌性水泥基復(fù)合材料具有超高韌性和強(qiáng)度。

附圖說明

圖1是實(shí)例3的粉煤灰與礦粉復(fù)摻的超高韌性水泥基復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變與齡期關(guān)系對比示意圖。

圖2是實(shí)例1-3的粉煤灰與礦粉復(fù)摻的超高韌性水泥基復(fù)合材料與傳統(tǒng)ECC的應(yīng)力-應(yīng)變對比示意圖。

圖3是實(shí)例3的粉煤灰與礦粉復(fù)摻的超高韌性水泥基復(fù)合材料拉伸后的多縫開裂圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

水泥、固體廢棄物、細(xì)骨料、水、減水劑、增稠劑和纖維的重量份數(shù)為：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。該配合比使用一級(jí)粉煤灰和一級(jí)礦粉，礦粉和粉煤灰的重量比為：45%：55%。將相應(yīng)重量份數(shù)的水泥、粉煤灰，礦粉、砂和增稠劑加入到攪拌鍋中，慢速干攪3分鐘至均勻。將按所述的份數(shù)的減水劑溶于水加入攪拌鍋，快攪5分鐘，直至漿體流動(dòng)性達(dá)到要求。加入所述份數(shù)的纖維，再攪拌6分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的超高韌性水泥基復(fù)合材料。

所述的水泥為52.5級(jí)硅酸鹽水泥；所述的細(xì)骨料由石英砂篩分而成，最大粒徑不超過0.6mm。所述的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑；所述的增稠劑為甲基纖維素醚增稠劑。

3天材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.97MPa,極限應(yīng)變?yōu)?.6%；7天材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為4.26MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.1%；28天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為5.87MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.2%。其流動(dòng)性指標(biāo)為14cm。

實(shí)施例2：

水泥、固體廢棄物、細(xì)骨料、水、減水劑、增稠劑和纖維的重量份數(shù)為：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。該配合比使用一級(jí)粉煤灰和一級(jí)礦粉，礦粉和粉煤灰的重量比為：48 %：52%。將相應(yīng)重量份數(shù)的水泥、粉煤灰，礦粉、砂和增稠劑加入到攪拌鍋中，慢速干攪3分鐘至均勻。將按所述的份數(shù)的減水劑溶于水加入攪拌鍋，快攪5分鐘，直至漿體流動(dòng)性達(dá)到要求。加入所述份數(shù)的纖維，再攪拌6分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的超高韌性水泥基復(fù)合材料。

所述的水泥為52.5級(jí)硅酸鹽水泥；所述的細(xì)骨料由石英砂篩分而成，最大粒徑不超過0.6mm。所述的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑；所述的增稠劑為甲基纖維素醚增稠劑。

3天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.11MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.5%；7天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.89MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.9%；28天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為4.76MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.3%。其流動(dòng)性指標(biāo)為15cm。

實(shí)施例3：

水泥、固體廢棄物、細(xì)骨料、水、減水劑、增稠劑和纖維的重量份數(shù)為：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。該配合比使用一級(jí)粉煤灰和一級(jí)礦粉，礦粉和粉煤灰的重量比為：50%：50%。將相應(yīng)重量份數(shù)的水泥、粉煤灰，礦粉、砂和增稠劑加入到攪拌鍋中，慢速干攪3分鐘至均勻。將按所述的份數(shù)的減水劑溶于水加入攪拌鍋，快攪6分鐘，直至漿體流動(dòng)性達(dá)到要求。加入所述份數(shù)的纖維，再攪拌8分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的超高韌性水泥基復(fù)合材料。

所述的水泥為52.5級(jí)硅酸鹽水泥；所述的細(xì)骨料由石英砂篩分而成，最大粒徑不超過0.6mm。所述的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑；所述的增稠劑為甲基纖維素醚增稠劑。

3天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為2.82MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.3%；7天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.76MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.1%；28天材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為5.5MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.2%。其流動(dòng)性指標(biāo)為15.7cm。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。